به محض وقوع این واکنش نیروی جاذبهی الکتروستاتیکی در جامد متبلور ضعیف شده و یونهای H+ در محلول، یونهای اکسید را از فاز جامد جدا و تشکیل آب میدهد[۱۵].
پارامترهای موثر بر انحلال اکسید منگنز MnO توسط اسید سولفوریک نظیر غلظت اسید، مقدار نسبت استوکیومتریک اسید، درجه حرارت و مدت زمان لیچینگ مورد بررسی قرار گرفته اند. نتایج حاصل نشان میدهد که غلظت اسید سولفوریک مصرف شده تاثیر اندکی بر میزان انحلال منگنز دارد لذا می توان از اسید رقیق برای لیچینگ استفاده کرد. با افزایش غلظت اسید میزان انحلال آهن افزایش مییابد.
دیاکسید منگنز در شرایط اکسیداسیون اسیدی یا قلیایی پایدار است. از این رو، استخراج منگنز در شرایط احیایی انجام می شود. محلول آبی SO2 ثابت کرده است که لیچ کننده موثری برای منگنز از سنگ معدن منگنز دیاکسید، به دلیل سرعت انحلال، عملکرد دمای اتاق، سهولت نسبی خالص سازی محلول لیچ و نداشتن مشکل بازیافت محلول، است. مطالعات بر رویMnO2 مصنوعی برای درک سازوکار لیچینگ انجام شده است. محلول آبیSO2 اکسید منگنز را با کاهش Mn4+و Mn3+فلزی به شکل Mn2+ محلول در آب تبدیل می کند و SO2 به SO42- یا S2O62- اکسیده می شود. واکنش کلی به شرح زیر داده شده است[۱۶]:
MnO2 + SO2 = Mn2+ + SO4
MnO2 + ۲SO2 = Mn2+ + S2O6
۲MnOOH + SO2 + ۲H+ = ۲Mn2+ + SO42- + ۲H2O
۲MnOOH + 2SO2 + ۲H+ = ۲Mn2+ + S2O62- + ۲H2O
SO2 ،FeSO4 ، ساکارز ، زغال چوب ، زغال سنگ و ذغال سنگ چوب نما ،پیریت و غیره را میتوان به عنوان عوامل کاهنده استفاده کرد. اکسالیک اسید می تواند به عنوان یک عامل کاهنده برای استخراج منگنز از سنگ معدن دیاکسید منگنز استفاده شود. از لیچینگ سنگ معدن منگنز با بهره گرفتن از اکسالیک اسید تولید میکروارگانیسم ها گزارش شده است. لیچینگ شیمیایی از سنگ معدن منگنز با بهره گرفتن از اکسالیک اسید ممکن است بینشی به سمت بیولیچینگ باشد. انحلال منگنز با توجه به کاهش دی اکسید با اکسالیک اسید همراه است. کاهش بین MnO2 و اکسالیک اسید در محیط اسیدی به شرح زیر داده شده[۱۷]:
MnO2 + HOOC–COOH + 2H+ = Mn2+ + ۲CO2 + ۲H2O
بررسی محلولهای رقیق از دیاکسید گوگرد به عنوان عامل لیچینگ توجه محققان زیادی در این زمینه به خصوص در مورد نودلهای بستر دریاها را جلب کرده است. واکنش بین اکسید فلزی و دیاکسید گوگرد مورد مطالعه قرار گرفته است. مشاهده شده است که:
روش لیچینگ اسید سولفوریک سریع، موثر و حساس است کل واکنش انحلال فقط در ۸-۱۰ دقیقه به پایان میرسد.
انحلال در دما و فشار اتاق صورت میگیرد.
دیاکسید گوگرد گاز پسماند است، اعتقاد بر این است که ۱۰۹میلیون تن SO2 در هر سال به محیط زیست جهانی اضافه شده است. به این ترتیب، با بهره گرفتن از SO2 به عنوان عامل لیچینگ، آلودگی هوا را میتوان به حداقل رساند.
محلول آبی SO2 شرایط بسیار کاهنده و بسیار اکسید کننده با اکسیژن ارائه میدهد. بنابراین، این لیچ کنندهها ممکن است برای لیچ فلزات با ارزش از مواد معدنی، سنگ معدن و کنسانتره به عنوان منابع اولیه در حالی که لجن آندی، گرد و غبار دودکشها، قطعات الکترونیکی، آلیاژهای، رشته های از لامپهای برقی و غیره دیگر منابع ثانویه هستند، استفاده کرد[۱۸].
۲-۷-۱ لیچینگ کاهشی با محلول یون آهن
این فرایند به صورت شماتیک در شکل ۲-۱ نشان داده شده است. ویژگی این فرایند هیدرولیز دما بالایFe(III) و رسوب منگنز به عنوان نمک مضاعف (NH4)2Mn2(SO4)3 به طور همزمان است، که سپس با انحلال Fe2O3 و همرسوبی، از هم جدا می شود. انتظار میرود محلول نسبتا خالص منگنز باردار برای الکترولیز از این راه بهدست آید.
شکل۲-۱- فلوشیت فرایند بازیابی منگنز با بهره گرفتن از محلول لیچ[۱۴]
نگرانیهای اقتصادی این فرایند بابت هزینه بالای H2O2 و فرایند اتوکلاو درجه حرارت بالا است[۱۴]. مطالعه ای بر روی سینتیک واکنش بین منگنز دیاکسید و یون آهن در محلول اسیدی انجام شده، که از پتانسیل زوجهای فرو و فریک برای اندازه گیری میزان واکنش استفاده شده است. در این بررسی واکنشها به راحتی در بعضی قسمت های فعال سطح دیاکسید منگنز و سطحی که یونهای آهن بر روی آن انتشار یافته، رخ داده است. از سوی دیگر، در مطالعه ای دیگر به این نتیجه رسیدند که تحت شرایط ویژهی دور همزن، واکنش شیمیایی با انرژی فعالسازی ظاهری ۲۸ کیلورژول بر مول، کنترل شده است. از مفاهیم الکتروشیمیایی برای سیتینک محلول MnO2 با اسیدسولفوریک در حضور پیریت استفاده شده و نتیجه گرفتند که انحلال می تواند با Fe2+ کاتدی که از اکسیداسیون پیریت با یونهای Fe3+ به دست آمده، ادامه یابد. نرخ واکنش اکسیداسیون پیریت به تدریج کاهش مییابد. مطالعه ای بر مکانیسم الکتروشیمیایی محلول MnO2 در اسید هیدروکلریک در حضور Fe2+ و Fe3+ انجام شده است و متوجه شدند که با افزایش یونهای Cl- و Fe2+ در محلول سرعت کلی انحلال افزایش مییابد. در مقابل، Mn2+ و Fe3+ در محلول، مانع از رسیدن واکنش به بعضی درجات میشوند[۱۹].
مطالعه ای توسط Das et al(1982) [14]، نشان داد که واکنش منگنز دیاکسید در کانی کم عیار منگنز با فروسولفات به سه طریق انجام میگیرد:
فروسولفات طبیعی:
MnO2 + 2FeSO4 + 2H2O = MnSO4 + Fe(OH)SO4 + Fe(OH)3
فروسولفات و مقدار کمی اسید:
MnO2 + 2FeSO4 + H2SO4 = MnSO4 + Fe(OH)SO4
محلول فروسولفات و مقدار زیادی اسید:
MnO2 + 2FeSO4 + 2H2SO4 = MnSO4 + Fe(SO4)3 + 2H2O
بیشتر از ۹۰درصد منگنز را میتوان با لیچینگ کانسنگهای کم عیار با مقدار نسبت استوکیومتری فروسولفات و در دمای ۹۰ درجه سانتی گراد به مدت ۱ ساعت و نسبت جامد به مایع ۱:۱۰ استخراج کرد. مایع لیچ تحت این شرایط ژلاتینی و فیلتر کردن آن سخت خواهد شد؛ با اضافه کردن اسیدسولفوریک فیلتراسیون به راحتی انجام شده و منگنز استخراجی بیشتر می شود[۱۴].
در سال ۲۰۰۷ ذاکری و همکاران بر روی لیچینگ کاهشی منگنز با بهره گرفتن از آهن اسفنجی مطالعه ای انجام دادهاند. با بهره گرفتن از اسیدسولفوریک و آهن اسفنجی بر روی نمونه پیرولوزیت، آزمایشات لیچینگ اسیدی صورت گرفته که در ۱۰ دقیقه با دمای ۲۰ درجه سانتی گراد، موفق به بازیابی ۹۸% منگنز از کانسنگ شده اند[۱۹].
۲-۷-۲ لیچینگ کاهشی توسط سولفور دیاکسید یا محلولهای سولفیت
در فرآیندهای هیدرومتالورژی، سولفور دیاکسید یا نمکهای سولفیتی کاهندههای قوی برای کانیهای منگنز اکسید بالاتر مانند MnO2 و نودلهای منگنز هستند. واکنشهایی که احتمالا در حین لیچینگ منگنز دیاکسید رخ می دهند :
MnO2 + SO2 = Mn2+ + SO42-
MnO2 + ۲SO2 = Mn2+ + S2O62-
۲MnOOH + SO2 +۲H+ = 2Mn2+ + SO42- + ۲H2O
۲MnOOH + SO2 +۲H+ = 2Mn2+ + S2O62- + ۲H2O
SO2 به SO42- و مقداری دی تیونات S2O62- اکسایش یافته که به PH محلول، پتانسیل اکسایش-کاهش و درجه حرارت بستگی دارد. در اصل این فرایند کاهشی SO2 است. استفاده از محصول میانی دی تیونات واکنش کاهشی برای موازنه هر دو محصول کاهش یافته Mn(II) و کلسیم در محلول در حالی که کلسیم اضافی به صورت CaSO4 رسوب کرده؛ مزیت این فرایند است. در یک پژوهش نیمه صنعتی یک سری آزمایشات بر روی منگنز با عیار ۱۳-۱۸% انجام شده، در اکثر موارد بازیابی منگنز به ۹۰درصد رسید و عیار منگنز در محصول نهایی بیشتر از ۶۰درصد رسید. برای هر واحد منگنز استخراج شده، ۵/۱ تا ۲/۲ واحد SO2 و ۱/۱ تا ۵/۱ واحد CaO مصرف شده است. در مقیاس آزمایشگاهی از دی تیونات همچنین برای لیچینگ لجنهای کم عیار منگنز(از نودلهای منگنز در بستر دریاها) استفاده می شود. عموما تشکیل دیتیونات در فرایند شستشو با SO2 نامطلوب است. زمان ماند طولانی برای تبدیل دیتیونات به سولفات لازم است. یک فرایند که تشکیل S2O62- را با اضافه کردن SO2 به صورت پیوسته، به زیر ۱ گرم بر لیتر کاهش میدهد، توسط Ward et al.2004 بررسی و گزارش شده است. لیچینگ مستقیم SO2 بر روی نمونه غنی منگنز انجام گرفته است (Grimanelis et al. 1992)، این واکنش سریع بوده و در زمان ۱۰ دقیقه، بازیابی منگنز به بیشتر از ۹۵ درصد رسیده که ناخالصی آهن همراه بسیار کم بوده است[۱۴].
در مطالعه ای سه نمونه سنگ معدن منگنز عیاربالا، عیار متوسط و کم عیار مورد لیچینگ توسط SO2 به عنوان کاهنده قرار گرفتهاند. این بررسی در دمای محیط، دور همزن ۱۰۰۰ دور بر دقیقه و با اندازه ذرات زیر ۱۵۰ میکرون انجام شده است. مقدار کاهنده توسط نسبتهای استوکیومتری معادله زیر در نظر گرفته شده است[۱۶]:
MnO2 + SO2 = Mn2+ + SO42-
در مجموع، استخراج منگنز با افزایش نسبت استوکیومتری مقدار SO2، افزایش مییابد [۱۶]. در نمونه با عیار متوسط، همانطور که در نمودار شکل ۲-۲ مشاهده می شود؛ با نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار ۷۵/۱، بازیابی منگنز ۸۸/۹۰ درصد می شود. با افزایش نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار ۵/۲، میزان منگنز استخراج شده از نمونه به ۱۷/۹۷ درصد میسد. در نمونه پرعیار در نمودار شکل ۲-۳، ۴۰/۹۴ درصد منگنز با نسبت استوکیومتری SO2به مقدار ۵/۱ استخراج شده، که با افزایش نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار ۲ بازیابی منگنز به ۵۵/۹۹ درصد میرسد. در نمونه کم عیار، با توجه به نمودار شکل ۲-۴، با نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار ۵/۱، تقریبا همه منگنز نمونه (۲۹/۹۹درصد) استخراج شده است[۱۶].
شکل۲- ۲- اثر مقدار SO2 بر بازیابی فلزات در کانه با عیار متوسط[۱۶] شکل۲- ۳- اثر مقدار SO2 بر بازیابی فلزات در کانهی پرعیار[۱۶]
شکل۲- ۴- اثر مقدار SO2 بر بازیابی فلزات در کانهی کمعیار[۱۶]
۲-۷-۳ لیچینگ کاهشی با بهره گرفتن از کاهندههای ارگانیک
در بسیاری از مطالعات بر روی لیچینگ کاهشی کانیهای منگنز چهار ظرفیتی که از کاهندههای ارگانیک استفاده شده، تمرکز شدهاست. این کاهندهها شامل گلوکز، ساکاروز، لاکتوز، خاک اره، گلیسیرین، اسید اکسالیک، اسید سیتریک، تارتاریک اسید و فرمیک اسید است.
کاهندههای کربوهیدراتی به دلیل هزینه کم و بی خطر بودن، مورد توجه هستند. معادله استوکیومتری آنها به صورت زیر پیشنهاد می شود:
C2H12O6 + ۱۲MnO2 + ۲۴H+ = ۶CO2 + ۱۲Mn2+ + ۱۸H2O
محصولات واکنش گلوکز توسط HPLC قابل تشخیص است. در اسیدسولفوریک به عنوان واسطه، گلوکز به فرم مونوکربوکسیلیک پلیهیدروکسی اسید و فرمیک اسید اکسید می شود[۱۴].
در بین این کاهندهها اسید اکسالیک و خاک اره به دلیل در دسترس بودن و هزینه کم، مورد توجه کارهای صنعتی هستند. ممکن است لیچینگ شیمیایی کانههای منگنز با بهره گرفتن از اسید اکسالیک دیدی نسبت به بیولیچینگ بدهد[۱۷]. مکانیسم بیولیچینگ عمدتا به طور غیر مستقیم در محصولات لیچینگ کانههای منگنز با اسید اکسالیک یا اسید سیتریک یافت می شود. طبق واکنش زیر، اسید اکسالیک پتانسیل بیشتری برای کاهش منگنز دی اکسید نسبت به اسید سیتریک دارد:
MnO2 + ۲H+ +C2O4H2 = Mn2+ + ۲H2O + 2CO2
یونهای منگنز یک لایه بر سطح کانه تشکیل می دهند، و واکنش ارائه شده، با انتشار واکنشدهندهها بر روی لایهی نفوذپذیر محصول کنترل می شود.[۱۴]. در تحقیقی که بر روی سنگ معدن منگنز Joda در هند، آزمایشات لیچینگ با اسید اکسالیک به عنوان کاهنده، بر اساس روش فاکتوریل ۲۴ طراحی شده است. در این تحقیق پارامترهای متغیر مقدار اسیداکسالیک، مقدار اسید سولفوریک، زمان و دما در نظر گرفته شده است. این آزمایشها نشان دادهاند که بعد از ۳ ساعت، زمان تاثیری بر استخراج منگنز ندارد. اکثر واکنشها در ۳۰ دقیقهی اول کامل میشوند. نتایج آزمایشها مشخص کرده است به ترتیب مقدار اسید اکسالیک، دما و مقدار اسید سولفوریک بیشترین اثر را بر بازیابی منگنز و به ترتیب دما، مقدار اسیدسولفوریک، مقدار اسید اکسالیک و زمان بیشترین اثر را بر بازیابی آهن در این نمونه کانسنگ دارند. با ۶/۳۰ گرم بر لیتر اسید اکسالیک، ۵۴/۰ مولار اسید سولفوریک در دمای ۸۵ درجه سانتیگراد و زمان ۱۰۵ دقیقه، ۴/۹۸ درصد منگنز از کانسنگ منگنز معدن Joda بازیابی می شود[۱۷]. در مطالعه دیگری که بر روی نمونه کانسنگ منگنز سبزوار در ایران، صورت گرفته از روش سطح-پاسخ با نرمافزار DX7 استفاده شده است. مانند تحقیق قبل، در این تحقیق پارامترهای متغیر مقدار اسیداکسالیک، مقدار اسیدسولفوریک، زمان و دما در نظر گرفته شده است. بر اساس این آزمایشها و مطابق نمودارهای شکل ۲-۵، مقدار اسیدسولفوریک بیشترین اثر را بر روی بازیابی منگنز دارد.
شکل۲- ۵- اندرکنش متغیرها بر بازیابی منگنز[۲۰]
در این مطالعه، علاوه بر تعیین اثرگذاری پارامترهای مهم بر بازیابی منگنز، بهینهسازی پارامترها و یافتن بهترین حالت بر اساس بیشترین بازیابی منگنز، کمترین بازیابی آهن و مواد مصرفی در محدوده مشخص شده، انجام گرفته است. طبق نتایج به دست آمده، حالت اپتیمم با مقدار ۷درصد اسید سولفوریک،۹۲/۴۲ گرم بر لیتر اسید اکسالیک در ۶۳درجه سانتی گراد و زمان ۶۵ دقیقه، با بازیابی منگنز ۴/۹۳ درصد، بازیابی آهن ۸۱/۱۵ درصد در نظر گرفته شده است[۲۰].
یک بررسی مقایسه ای بین دو کاهندهی ارگانیک، اسید اکسالیک و اسید سیتریک بر روی نمونه کانسنگ منگنز در هند انجام گرفته است. این آزمایشها با پالپ ۲درصد، به مدت ۶ روز به طول انجامید که در هر ۳ روز، توسط تیتراسیون با اتیلن دیامین تترا استیک اسید[۱۱] ۰۱/۰ مولار درصد بازیابی منگنز مشخص شده است. غلظت دو کاهنده از ۱ مولار تا ۲ مولار متغیر بوده است. بر اساس نتایج به دست آمده از این تحقیق، در غلظت ۲ مولار از اسید اکسالیک، بازیابی منگنز بعد از ۶ روز ، به ۶۶ درصد رسیده که با کاهش غلظت اسید اکسالیک تا ۱ مولار بازیابی منگنز به ۱۵درصد کاهش مییابد. همچنین، در غلظت ۲ مولار از اسید سیتریک، بازیابی منگنز بعد از ۶ روز، به ۴۰ درصد رسیده که در این مورد نیز با کاهش غلظت اسید سیتریک تا ۱ مولار بازیابی منگنز به ۷ درصد کاهش مییابد.
شکل۲- ۶- تاثیر غلظتهای مختلف اسید سیتریک[۲۱] شکل۲- ۷- تاثیر غلظتهای مختلف اسید اکسالیک[۲۱]
اسید اکسالیک با فراهم کردن یون H+ و از طریق تشکیل کمپلکس اکسالات با منگنز، منگنز را به راحتی از کانه لیچ میدهد. اما اسید سیتریک قادر به تشکیل کمپلکس با منگنز نیست. با توجه به نتایج و نمودارهای شکل ۲-۶ و شکل ۲-۷ به همین دلیل اسید اکسالیک پتانسیل و ظرفیت بیشتری نسبت به اسیدسیتریک، برای لیچنگ کاهشی کانسنگهای منگنز را دارا میباشد[۲۱].
تحقیقی درباره لیچینگ کانسنگ منگنز- نقره در چین انجام شده است؛ که برای جداسازی نقره از این کانسنگ، لیچینگ کاهشی صوررت گرفته است. ابتدا توسط روشهای فیزیکی(روش مغناطیسی و فلوتاسیون) جداسازی اولیه انجام شده، سپس کنسانترههای این دو مرحله با هم مخلوط شده و برای لیچینگ با اسید سولفوریک و ماده سلولزی به عنوان کاهنده استفاده می شود. این ماده سلولزی، CMK نام دارد که در محلول لیچینگ با اسید سولفوریک، پلی ساکارید تشکیل میدهد[۲۲]:
n(C6H10O5) + n H2SO4 = n(C6H11O5)HSO4
n(C6H11O5)HSO4 + nH2O = n(C6H12O6) + nH2SO4
پلی ساکارید که از واکنش بالا تشکیل شده، می تواند با منگنز دیاکسید واکنش داده و منگنز دیاکسید به Mn2+ اکسایش مییابد:
موضوعات: بدون موضوع
[پنجشنبه 1400-07-29] [ 06:13:00 ب.ظ ]